CH692091A5 - Verfahren zum Zusammenfügen von Teilen aus Holz oder aus holzähnlichen Materialien. - Google Patents

Description

  



  Die Erfindung liegt auf dem Gebiete der Holzverarbeitungstechnik und betrifft ein Verfahren gemäss dem ersten unabhängigen Patentanspruch zum Zusammenfügen von Teilen aus Holz oder aus holzähnlichen Materialien. 



  Teile aus Holz oder holzähnlichen Materialien (Holzwerkstoffen), wie beispielsweise Sperrholz oder Spanplatten, werden gemäss dem Stande der Technik zusammengefügt, entweder durch mechanische Verbindungsmittel, wie beispielsweise Schrauben oder Nägel, oder sie werden verleimt, wobei üblicherweise auf beide zusammenzufügenden Oberflächen ein Klebstoff aufgebracht wird und die beiden Oberflächen dann während einer von der Art des Klebstoffes abhängigen Trocknungs- oder Erhärtungszeit zusammengepresst werden. 



  Sollen die durch das Zusammenfügen herzustellenden Gegenstände lackiert, das heisst mit einem farblosen Lack oder einer Farbe behandelt werden, ergeben sich je nach Fügetechnik und verwendetem Lack die folgenden Schwierigkeiten: beim Schrauben oder Nageln kann eine Verletzung einer vorher aufgebrachten Farb- oder Lackschicht kaum verhindert werden; Lack schichten auf durch Leimen zusammenzufügenden Oberflächen können die Hafteigenschaften des Klebstoffes negativ beeinflussen; aus Verbindungsstellen ausgepresster Klebstoff kann die Hafteigenschaften von nachträglich aufgetragenen Farben und Lacken negativ beeinflussen oder vor dem Leimen aufgebrachte Lacke oder Farben verfärben. 



  Es ist nun die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Zusammenfügen von Teilen aus Holz oder holzähnlichen Materialien aufzuzeigen, das einfach ist und sich insbesondere eignet für die Herstellung von mit Schutz- und/oder Farblack lackierten Gegenständen aus einzelnen, zusammenzufügenden Teilen. 



  Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren, wie es in den Patentansprüchen definiert ist. 



  Das Verfahren besteht im Wesentlichen aus zwei Schritten. In einem ersten Schritt wird mindestens einer von zwei zusammenzufügenden Teilen aus Holz oder holzähnlichem Material mit einem Schutz- und/oder Farblack lackiert, das heisst, er wird mit einem Lack behandelt, dessen an sich bekannte Funktion es ist, die Holzoberfläche beispielsweise gegen Witterungseinflüsse zu schützen und/oder dieser Oberfläche eine bestimmte Farbe zu verleihen. Die Behandlung mit dem Lack besteht dabei aus dem Aufbringen des Lackes, beispielsweise durch Streichen, Spritzen, Tauchen, Rollwalzen oder Giessen, und aus einem darauf folgenden Abwarten, bis der Lack getrocknet oder erhärtet ist, wobei das Auftragen und Trocknenlassen wiederholt werden kann und wobei beispielsweise als Erstes eine Grundierung und dann erst der Lack aufgetragen wird.

   Die Lackierung kann sich auf zusammenzufügende Oberflächenbereiche beschränken, erstreckt sich aber vorteilhafterweise über wei tere, zur Oberfläche des fertigen Gegenstandes gehörende Bereiche oder über ganze zusammenzufügende Teile. 



  In einem zweiten Schritt werden dann die zusammenzufügenden Oberflächen, von denen nur die eine oder beide eine Lackschicht (vorteilhafterweise trocken bzw. erhärtet) tragen, aufeinander gebracht und mittels mechanischer Anregung verschweisst. Die mechanische Anregung geschieht vorzugsweise durch Ultraschallwellen (Ultraschallschweissen), wobei mindestens die eine der zu verbindenden Oberflächen zu Schwingungen mit Ultraschallfrequenz und senkrecht zu dieser Oberfläche angeregt wird. Dazu wird mindestens einer der zusammenzufügenden Teile mindestens im Bereiche der zu erstellenden Verbindung zwischen einer mit Ultraschall anregbaren Fläche (Arbeitsfläche einer Sonotrode) und einem Amboss unter einem Schweissdruck gehalten und mit Ultraschallwellen beaufschlagt.

   Nach einer kurzen Schweisszeit und vorzugsweise einer kurzen Haltezeit sind die Teile durch eine Verschweissung der einen Lackschicht mit der Holzoberfläche oder der beiden Lackschichten der Verbindungsstelle miteinander verbunden. 



  Es ist auch möglich, die Verschweissung vorzunehmen, bevor die zuletzt aufgetragene Lackschicht völlig trocken bzw. erhärtet ist. Es zeigt sich für einen derartigen Fall, dass die Trocknung bzw. Erhärtung durch die Verschweissung sogar beschleunigt wird. 



  An Stelle einer Ultraschallverschweissung kann auch eine Reibschweissung oder Orbitalschweissung zur Anwendung kommen, wobei die zu verbindenden Oberflächen im Wesentlichen parallel zueinander bewegt werden (gradlinig oder zyklisch). 



  Die Bedingungen, die das erfindungsgemässe Verfahren an die zusammenzufügenden Teile und an den Lack stellt, sind die folgenden:
 - Der Lack muss in seinem trockenen bzw. erhärteten Zustand einen thermoplastischen Bestandteil aufweisen, was für viele handelsübliche, synthetische Lacke (farblos oder farbig), sowohl wasserlöslicher oder lösungsmittellöslicher Art der Fall ist.
 - Die aneinander zu fügenden Oberflächen der Teile müssen innerhalb relativ enger Grenzen parallel sein, wobei Holzoberflächen mit einer für zu lackierende Flächen normalen Rauheit ohne Probleme verarbeitet werden können. Ferner müssen die zu verbindenden Oberflächen für die sehr kurze Schweisszeit (Grössenordnung: eine Sekunde) und gegebenenfalls eine ebenfalls kurze Haltezeit (Grössenordnung: einige Sekunden) gegeneinander pressbar und seitlich führbar sein. 



  Die Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens sind die folgenden:
 - Für zwei Funktionen muss nur ein einziger Stoff (Lack) auf die Oberflächen der Teile aufgetragen werden: an Oberflächen des fertigen Gegenstandes übernimmt der Lack eine Schutz- und/oder Färbefunktion, an den zusammenzufügenden Oberflächen der Teile die Funktion eines Verbindungsmittels (vergleichbar mit der Funktion eines Klebstoffes) in Form einer verschweissbaren Beschichtung.
 - Die Herstellung eines aus Teilen zusammengefügten und lackierten Gegenstandes wird beschleunigt, da für das Zusammenfügen das Auftragen eines Klebstoffes und eine Trocknungs- bzw. Erhärtungszeit für den Klebstoff entfällt. Die notwendigen Schweisszeiten (inkl.

   Haltezeit) sind sehr klein (wenige Sekunden). 
 - Die Herstellung mehrfarbiger Gegenstände wird erleichtert durch Färben von Teilen und nachträglichem Zusammenfügen.
 - Es können statt ganzer Gegenstände einzelne Teile lackiert werden, was insbesondere bei grösseren Gegenständen und Tauch- oder Tunnel-Lackierverfahren eine Verkleinerung der notwendigen Apparaturen zur Folge haben kann.
 - An Gegenständen mit mehreren Fügestellen können diese, ohne die für das Zusammenfügen notwendige Zeit gewaltig zu erhöhen, nacheinander verschweisst werden, sodass notwendige Einspannvorrichtungen einfacher und kleiner werden können.
 - Zwischen Lackieren und Verschweissen können beliebig lange Lagerzeiten eingeschaltet werden. 



  Versuche mit Teilen aus Buchen- und Fichtenholz, die mit Lacken auf Acrylbasis durchgeführt wurden, zeigen, dass bei Lackierungen mit üblichen Schichtdicken im Bereiche von 0,1 mm durch Ultraschallschweissen Verbindungen entstehen mit Zugscherfestigkeiten im Bereiche von 5 N/mm<2>, was der Festigkeit von mit üblichen Klebstoffen hergestellten Verbindungen zwischen Holzteilen und der Zugfestigkeit beispielsweise von europäischen Nadelhölzern selbst entspricht. 



  Das erfindungsgemässe Verfahren wird anhand der folgenden Figuren mehr im Detail beschrieben. Dabei zeigen: 
 
   Fig. 1 eine beispielhafte Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens; 
   Fig. 2 und 3 Versuchsresultate mit Schweissverbindungen zwischen lackierten Teilen aus Fichtenholz (Fig. 2) und Buchenholz (Fig. 3); 
   Fig. 4 bis 6 weitere beispielhafte Anordnungen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. 
 



  Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Anordnung für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Für die Verschweissung von lackierten Holzteilen A und B wird eine an sich bekannte Ultraschall-Schweissanlage verwendet. Diese weist einerseits eine mit Ultraschall anregbare Fläche 1 (Arbeitsfläche einer Sonotrode 4) und eine stabile Ambossfläche 2 auf, wobei die zu verbindenden Teile A und B, die beispielsweise eine allseitige Lackschicht L tragen (oder wenigstens einer davon, siehe weiter unten), unter einem Schweissdruck P zwischen Sonotroden-Arbeitsfläche 1 und Ambossfläche 2 gehalten werden. Um eine seitliche Verschiebung der zusammenzufügenden Teile A und B zu verhindern, sind üblicherweise auch seitliche Haltemittel (in der Figur durch Pfeile S angedeutet) notwendig. 



  Die Ultraschallschweissanlage besitzt zur Erzeugung und Übertragung der Ultraschallenergie die folgenden (in der Fig. 1 nicht dargestellten) Teile: einen Generator zur Erzeugung elekromagnetischer Wellen mit einer Frequenz üblicherweise im Bereiche von ca. 18 kHz bis 140 kHz (beispielsweise 20 oder 40 kHz), einen Konverter, der die elektromagnetischen Wellen in mechanische Wellen verwandelt und meist eine Verbindung von mehreren piezoelektrischen Elementen ist, und einen Resonanzteil (oft zweiteilig: Booster und Sonotrode 4), durch den die erzeugten, mechanischen Wellen gegebenenfalls amplitudentransformiert über die bereits erwähnte anregbare Fläche 1 (Arbeitsfläche der Sonotrode 4) auf den einen der zu verschweissenden Teile (A) durch mechanische Koppelung übertragen werden. 



  Die vom Konverter erzeugten mechanischen Wellen werden durch sorgfältige Abstimmung der Materialien und Formen von Konverter, Booster und Sonotrode möglichst verlustarm übertragen, dadurch dass diese Teile möglichst in Resonanz schwingen und stehende Wellen (mit stationären Knotenpunkten) entstehen. 



  Die Schweissparameter sind insbesondere die Frequenz der erzeugten Ultraschallwellen, die Amplitude, mit der die Arbeitsfläche 1 der Sonotrode bzw. die zu verschweissende Fläche 3 des von der Sonotrode angeregten Teiles A schwingt, die vom System aufgenommene Leistung, der Schweissdruck P und die Schweisszeit. 



  Frequenz und maximale Leistung des Ultraschalles sind üblicherweise durch die Ultraschallanlage vorgegeben. Die Amplitude der schwingenden Arbeitsfläche 3 der Sonotrode 4 ist abhängig von der Amplitude des Konverters und der Wahl von Booster und Sonotrode. Schweissdruck, Amplitude und aufgenommene Leistung sind im System miteinander verknüpft derart, dass für eine bestimmte Amplitude und eine bestimmte maximale Leistung der Schweissdruck begrenzt ist (je kleiner die Amplitude, desto höher der mögliche Schweissdruck), dass bei konstantem Schweissdruck und höherer Amplitude mehr Leistung aufgenommen wird und dass bei konstanter Amplitude und höherem Schweissdruck mehr Leistung aufgenommen wird. 



  Da es sich bei der erfindungsgemässen Verschweissung von lackierten Holzteilen meist um so genannte Fernfeldverschweissungen (Verschweissung von Flächen, die von der Arbeitsfläche der Sonotrode mehr als ca. 1 cm entfernt sind) handelt, ist das Schweissen mit relativ grossen Amplituden empfehlenswert. 



  Die für eine bestimmte Schweissung notwendige Schweissenergie wird unter anderem bestimmt durch die Art des zu verschweissenden Lackes und die Geometrie der zu verschweissenden Teile (Energieverluste im Teilmaterial). Bei einer Schweissleistung, die vornehmlich durch das System gegeben ist, wird die Schweissenergie über die Schweisszeit kontrolliert. 



  Theoretisch wäre eine optimal Energie-effiziente Verschweissung zu erwarten, wenn der erste zu verschweissende Teil A mit der Sonotrode mechanisch vollständig gekoppelt wäre, mit dieser in Resonanz schwingen würde und derart ausgestaltet wäre (Anordnung von Knotenpunkten in diesem Teil), dass seine zu verschweissende Oberfläche mit einer für die Verschweissung geeigneten Amplitude schwingen würde. Ferner sollten die beiden zu verschweissenden Oberflächen möglichst wenig mechanisch gekoppelt sein, damit die Wellen sich möglichst wenig in den zweiten Teil B und in den Amboss 5 fortpflanzen. Sobald der Lack zwischen den beiden zu verbindenden Oberflächen weich wird, entfällt die mechanische Koppelung zwischen den zu verbindenden Teilen A und B. 



  Ultraschall-Schweissversuche, durchgeführt mit einer Anordnung gemäss Fig. 1, zeigen, dass trotz gleichen Druckverhältnissen an den Berührungsflächen zwischen Sonotrode und lackiertem Holz bzw. zwischen Amboss und lackiertem Holz wie an den zu verbindenden Oberflächen zwischen den zu verbindenden Oberflächen eine gute Schweissverbindung entsteht, während an den anderen Berührungsflächen (mit Sonotrode bzw. Amboss) keine Veränderung der lackierten Oberfläche zu verzeichnen ist, diese nach der Schweissung also auch nicht an der Sonotrode bzw. am Amboss haftet. Das heisst mit anderen Worten, die Koppelung zwischen Sonotrode und erstem zu verschweissendem Teil ist genügend gross, diejenige zwischen den zu verbindenden Oberflächen genügend klein. Dies gilt insbesondere bei der Verwendung von sehr glatten Sonotroden- und Amboss-Flächen.

   Sind diese rau oder uneben, entstehen in Lackschichten, die bei der Verschweissung auf diesen Flächen aufliegen, entsprechende Abdrücke. 



  Für jede spezifische Anwendungen müssen die Schweissparameter experimentell bestimmt werden. 



  Die beiden Fig. 2 und 3 zeigen Versuchsresultate zu Verschweissungen (Anordnung gemäss Fig. 1) von je zwei Fichtenholzteilen (Fig. 2) und je zwei Buchenholzteilen (Fig. 3), die vorgängig mit einem Acryllack beschichtet wurden. Die verwendeten Lacke waren einerseits eine mit Wasser verdünnbare Deckfarbe auf Reinacrylbasis auf einer entsprechenden Grundierung (Sigmalith-Acryl-Satin des Lieferanten Ernit AG, Dietikon) und andererseits ein mit Kunstharzverdünner verdünnbarer Klarlack auf Acrylbasis (Amicryl-Klarlack des Lieferanten Trila Color, Zofingen). Die Schichtdicken waren, wie für Lackierungen mit derartigen Lacken üblich, im Bereiche von ca. 0,1 mm. Zur Durchführung der Versuche wurde eine Ultraschallschweissanlage der Firma Branson (Typ 921) verwendet. Verschweisst wurden ebene, parallel zur Sonotroden-Arbeitsfläche gerichtete Flächen von je ca. 400 mm<2>.

   Die Schweissparameter waren dabei: Frequenz 20 kHz; maximale Leistung 2000 W; Amplitude (an der Arbeitsfläche der Sonotrode): ca. 60  mu m; Schweisszeiten zwischen 0,2 und 2 Sekunden; Haltezeit ca. 5 sec und Schweisskraft (Kraft zum Zusammenpressen der Teile) zwischen 200 und 800 N. 



  Die Figuren zeigen die Abhängigkeit einer für die Zerstörung der erzeugten Verbindungen notwendigen Spannungen (in N/mm<2>) in Abhängigkeit der Schweisszeit und der Schweisskraft. Die Messwerte weisen eine hohe Streuung auf dadurch, dass die hergestellten und untersuchten Verbindungen teils Hirnholz mit Hirnholz, teils Seitenholz mit Seitenholz und teils Hirnholz mit Seitenholz verbanden. 



  Fig. 4 bis 6 zeigen nun noch mögliche Verschweissungen, bei denen die zu verschweissenden Oberflächen nicht parallel zur Sonotroden-Arbeitsfläche 1 und zur Ambossoberfläche 2 verlaufen. Die Lackschichten auf den zu verbindenden Teilen sind nicht dargestellt, erstrecken sich aber gemäss erfindungsgemässem Verfahren mindestens im Bereiche der durch die Ultraschallschweissung zu verbindenden Oberflächen der Teile A und B. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsnummern bezeichnet wie in der Fig. 1. 



  Fig. 4 stellt eine zu erstellende, schief zur Sonotroden-Arbeitsfläche 1 ausgerichtete Schweissverbindung 6 dar, die mit dem erfindungsgemässen Verfahren ebenfalls hergestellt werden kann, wobei die Sonotroden-Arbeitsfläche 1 vorteilhafterweise, wie dargestellt, etwa die Grösse der Projektion der Schweissverbindung aufweist. Für derartige Anwendungen sind seitliche Haltemittel (Pfeile S) besonders wichtig. 



  Fig. 4 stellt eine Anwendung dar, in der die Funktion von seitlichen Haltemitteln mindestens teilweise von der Form der Schweissverbindung 6 übernommen werden. Es handelt sich um eine zu erstellende, aus verschieden ausgerichteten Schweissflächen zusammengesetzte Schweissverbindung, wie sie in der Holztechnik vielfach angewandt wird. Auch eine derartige Schweissverbindung kann mit dem erfindungsgemässen Verfahren erstellt werden, wobei wiederum die Sonotroden-Arbeitsfläche 1, wie dargestellt, vorteilhafterweise etwa die Grösse der Projektion der Schweissverbindung aufweist. 



  Fig. 6 zeigt schliesslich noch eine zu erstellende Schweissverbindung 6, die senkrecht zur Sonotroden-Arbeitsfläche 1 und zur Ambossoberfläche 2 verläuft. Auch eine derartige Schweissverbindung kann mit dem erfindungsge mässen Verfahren ausgeführt werden. In diesem Falle übernehmen die seitlichen Haltemittel (Pfeile S) einen Teil der Funktion des Schweissdruckes P. Die Sonotroden-Arbeitsfläche 1 ist für diese Anwendung vorteilhafterweise schmal und regt, wie in den anderen beschriebenen Anwendungen, auch hier nur den einen (A) der beiden zu verbindenden Teile an. 



  Es ist auch möglich, Ambossflächen zu benützen, die nicht parallel zur Sonotroden-Arbeitsfläche verlaufen und/oder nicht ebene Sonotroden-Arbeitsflächen oder Ambossoberflächen.

Claims (10)

1. Verfahren zum Zusammenfügen von Teilen (A, B) aus Holz oder holzähnlichem Material, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einem der zusammenzufügenden Teile (A, B) mindestens im Bereiche der zusammenzufügenden Oberfläche ein Schutz- und/oder Farblack (L) aufgebracht wird, welcher Lack einen thermoplastischen Bestandteil aufweist, und dass dann die zusammenzufügenden Oberflächen zusammengebracht und durch mechanische Anregung mittels der dazwischenliegenden Lackschicht oder Lackschichten miteinander verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Anregung eine Anregung mit Ultraschallwellen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zusammenzufügenden Oberflächen der Teile (A, B) während der Verbindung durch mechanische Anregung gegeneinander gepresst werden.

4.

Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile (A, B) nach Abbruch der mechanischen Anregung weiter während einer Haltezeit zusammengepresst werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Lack mit Wasser oder einem Lösungsmittel verdünnbar ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lack eine Acrylbasis besitzt.

7.

Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Teile zwischen einer im Wesentlichen ebenen Sonotroden-Arbeitsfläche (1) und einer Ambossfläche (2) eingespannt werden, dass die zusammenzufügenden Oberflächen parallel und/oder schief zur Sonotroden-Arbeitsfläche (1) angeordnet werden und dass die Grösse der Sonotroden-Arbeitsfläche im Wesentlichen gleich gross gewählt wird wie die Projektion der zusammenzufügenden Flächen.

8.

Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Teile zwischen einer im Wesentlichen ebenen Sonotroden-Arbeitsfläche (1) und einer Ambossfläche (2) eingespannt werden, dass die zusammenzufügenden Flächen senkrecht zur Sonotroden-Arbeitsfläche angeordnet werden und dass die Sonotroden-Arbeitsfläche auf dem einen (A) der zu verbindenden Teile (A, B) unmittelbar neben der zu erstellenden Verbindung angeordnet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung mit Ultraschallwellen einer Frequenz von 20 bis 40 kHz durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Anregung aus einer Reibung der zu verbindenden Oberflächen gegeneinander besteht.